1GHz以下全球免許可頻段短距離無線系統(tǒng)的設(shè)計考慮

低頻發(fā)射機傳輸距離的增加可以通過簡化的Friis 傳輸方程來表示，該方程給出了接收天線上的功率Pr與輸送給發(fā)射天線的功率Pt之間的關(guān)系。

這里假設(shè)兩條天線都具有單位增益。這個方程顯示，對于固定的發(fā)射功率Pt來說，接收到的功率將隨距離d的平方以及頻率f的平方而降低(或隨著波長λ的平方而增加)。如果接收到的功率低于對信號正確解調(diào)所需的最小功率(稱為靈敏度)，該鏈路就會被中斷。
全球范圍內(nèi)1GHz以下頻率的分配
表2對1GHz以下的短距離無線設(shè)備的通訊頻率標(biāo)準(zhǔn)進行更詳細的描述。這里沒有羅列出全部的標(biāo)準(zhǔn)，更多細節(jié)請查看相關(guān)鏈接。

433MHz頻段是能在全球范圍內(nèi)使用的頻率之一。在日本，需要對頻率作少許調(diào)整，大多數(shù)頻率調(diào)諧靈活的收發(fā)器能夠輕松處理這一問題，如圖1所示的ADF7020，或ADF7021)。不過，433MHz頻段的可用帶寬不到2MHz，且通常不能用作語音、視頻、音頻和連續(xù)數(shù)據(jù)的傳輸，因此常被用于如無鑰匙門鎖系統(tǒng)和基本的遠程控制等應(yīng)用。

圖1：短距離無線設(shè)備收發(fā)器ADF7020的結(jié)構(gòu)框圖

868MHz(歐洲)及902~928MHz(美國)頻段非常有用，它們沒有限制應(yīng)用，且允許采用更緊湊的天線方案。其它地區(qū)(如澳大利亞和加拿大)已經(jīng)采用了符合這些規(guī)范的版本。雖然還未實現(xiàn)全球化通用，但這些頻段可以在多個地區(qū)使用。
不過，在最新的EN300 220規(guī)范出現(xiàn)以前，美國和歐洲采取了迥然不同的方案。美國采用跳頻的方法，而歐洲則對每個子頻段的占空比進行了限制，正如ERC REC-70文件中所描述的那樣。這兩種方案在減少干擾方面都很有成效，但對于系統(tǒng)制造商來說，如果設(shè)計要同時針對兩個地區(qū)的產(chǎn)品，那么他們就必須完全重寫系統(tǒng)通信協(xié)議中的媒體訪問層(MAC)。

幸運的是，歐洲EN 300 220規(guī)范擴展了頻帶并允許跳頻擴頻(FHSS)或直接序列擴頻(DSSS))，這使得MAC實現(xiàn)更接近美國的設(shè)計方案，雖然還需要一定的微調(diào)。下面將描述這一新規(guī)范的相關(guān)方面，涵蓋了短距離無線設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計者需要考慮的問題。
跳頻系統(tǒng)
跳頻擴頻(FHSS)發(fā)射技術(shù)通過將頻譜劃分為多個信道，并以接收機和發(fā)射機都認(rèn)可的偽隨機序列(或稱為“跳頻碼”)在這些信道之間進行切換，在時域中將能量擴展開來。為便于新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，控制器節(jié)點周期性地發(fā)送信標(biāo)信號，使新加入的節(jié)點能與其同步。所需的同步時間取決于信標(biāo)的發(fā)射間隔以及跳頻信道的數(shù)量。美國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的跳頻信道數(shù)量較為接近，最大駐留時間(即在單次跳頻期間停留在特定頻率上的時間)為400ms。
表3給出了采用FHSS技術(shù)時歐洲標(biāo)準(zhǔn)的擴展頻段(低于870MHz)所需的信道數(shù)量、有效輻射功率(ERP)和占空比。當(dāng)滿足先聽后說(LBT)或占空比限制時，帶寬均可高達7MHz，而在以往只能獲得2MHz的帶寬范圍。
先聽后說是一種“有禮貌”的通信協(xié)議，在啟動發(fā)送之前會先掃描信道上的活動，也被稱為空閑信道評估(CCA)，采用該協(xié)議的跳頻系統(tǒng)不受占空比的限制。
除了FHSS，直接序列擴頻(DSSS)也在新的歐洲規(guī)范中得到采用。在DSSS系統(tǒng)中，窄帶信號與高速偽隨機數(shù)(PRN)序列相乘，得到擴頻信號。每個PRN脈沖被稱為一個“碼片”，序列的速率被稱為“碼片速率(chip rate)”。初始的窄帶信號被擴展的程度被稱為處理增益，等于碼片速率(Rc)與窄帶數(shù)據(jù)符號速率之間的比。圖2對FHSS和DSSS的頻譜進行了比較。

寬帶調(diào)制：DSSS
在接收機，接收到的擴頻信號與相同的PRN碼相乘，以對信號進行解擴頻，從而提取出初始的窄帶信號。同時，接收機端的任何窄帶干擾信號會被擴展，并以寬帶噪聲的形式出現(xiàn)在解調(diào)器上。系統(tǒng)中的每個用戶分配有不同的PRN碼，從而在相同的頻帶中實現(xiàn)用戶隔離。這種方法被稱為碼分多址(CDMA)。

圖2：FHSS和DSSS的頻譜對比圖

一些使用DSSS調(diào)制技術(shù)的系統(tǒng)實例包括IEEE 802.15.4(WPAN)、IEEE 802.11(WLAN)以及GPS系統(tǒng)。DSSS的主要優(yōu)勢包括：
1. 抗干―DSSS抗干擾能力的基本原理是將有用信號與PRN碼相乘兩次(擴頻和解擴頻)，而任何干擾信號只相乘一次(擴頻)；
2. 低功率譜密度―在現(xiàn)有的窄帶系統(tǒng)引入的干擾最??；
3. 安全性―由于實現(xiàn)了擴頻/解擴頻，所以對干擾有很強的抵御能力；
4. 緩解多徑效應(yīng)。
DSSS或FHSS之外的寬帶調(diào)制方法
除FHSS和DSSS寬帶擴頻調(diào)制方法外，歐洲規(guī)范還支持帶寬大于200kHz的FSK/GFSK(高斯頻移鍵控)調(diào)制技術(shù)。表4給出了適用于歐洲寬帶調(diào)制方案(包括DSSS)的主要規(guī)范。

ADF7025 ISM頻段收發(fā)器是支持采用FSK調(diào)制寬帶標(biāo)準(zhǔn)的器件。為了能在865~870MHz子頻段內(nèi)工作，器件設(shè)計必須滿足最大占用帶寬(99％)和最大功率密度的限制以及信道(或頻段)邊沿的最大功率為-36dBm的限制。如果按照表4中的參數(shù)對ADF7025進行設(shè)置，器件可以滿足這三個限制條件。圖3是ADF7025的寬帶調(diào)制試驗結(jié)果，其占用帶寬為1.7569MHz，峰值頻譜密度為-1.41dBm/100kHz。

圖3：ADF7025的寬帶調(diào)制試驗結(jié)果：(a)FSK調(diào)制信號，99％占用帶寬，(b)將(a)圖進行放大，以測量最大功率譜密度。

ADF7025采用寬帶調(diào)制方式，可以實現(xiàn)很高的數(shù)據(jù)速率(在這種情況下為384kbps)，從而能夠在1GHz以下的歐洲ISM頻段中傳輸音頻和中等品質(zhì)的視頻(每秒數(shù)幀)。

美國規(guī)范(FCC Part 15.247)具有與歐洲規(guī)范類似的頻率分配方式，它規(guī)定了工作在902~928MHz、2,400~2,483.5MHz以及5,725~5,850MHz頻段的跳頻系統(tǒng)，同時還規(guī)定了“數(shù)字化調(diào)制”信號。這個寬松的規(guī)范涵蓋了擴頻(DSSS)和其它更簡單的調(diào)制形式(如FSK和GFSK)，因此它類似于歐洲規(guī)范中的“寬帶調(diào)制”。該規(guī)范的兩個主要要求為：
1. 最小6dB帶寬至少為500kHz；
2. 對于數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)，在任意連續(xù)發(fā)射間隔期間的任意3kHz帶寬內(nèi)，從發(fā)射端到天線傳導(dǎo)的功率譜密度不大于8dBm。
任何希望采用非FHSS系統(tǒng)的人通常都必須將輻射場強限制在50mV/m(-1.5dBm
ERP)內(nèi)，但在“數(shù)字調(diào)制”的場合中，只要能滿足最大功率譜密度限制，則最大輸出功率為1W。因此，當(dāng)使用ADF7025時，由于其FSK頻率偏差的寬度足以確保6dB帶寬大于500kHz，所以允許1W的 ERP。此外，由于信號帶寬較寬，系統(tǒng)也能實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率(對ADF7025而言，最高可達384kbps)。
ADF7025的同信道抑制在同信道中的變化范圍是-2dB(最差)到＋24dB之間，具體取決于干擾源的帶寬。這可以與同信道抑制為-4dB的商用802.15.4 DSSS收發(fā)器相媲美，后者采用的人為干擾信號為IEEE 802.15.4調(diào)制信號。
采用這些方法后，美國和歐洲就可以使用相似的寬帶調(diào)制系統(tǒng)，從而簡化面向全球市場的產(chǎn)品開發(fā)。ADF7025收發(fā)器架構(gòu)既能工作在美國標(biāo)準(zhǔn)定義的“數(shù)字調(diào)制”模式，又工作在歐洲規(guī)范定義的“寬帶調(diào)制”模式。

瞬態(tài)功率要求
設(shè)計工程師應(yīng)該了解歐洲規(guī)范中的一項新的技術(shù)指標(biāo)要求，即對瞬態(tài)功率的限制。瞬態(tài)功率被定義為當(dāng)發(fā)射機在正常工作期間開啟和關(guān)斷時落到鄰近頻譜中的功率。最新的規(guī)范加入了這一限制條件，以防止頻譜散射。
隨著輸送到功率放大器的電流的增大或減小，從壓控振蕩器(VCO)端所看到的負載也在發(fā)生變化，這使得鎖相環(huán)(PLL)在瞬間發(fā)生失鎖，并在環(huán)路試圖重新恢復(fù)鎖定狀態(tài)時產(chǎn)生雜散輻射或頻譜散射。在那些僅斷續(xù)發(fā)射的系統(tǒng)中，頻譜散散會導(dǎo)致落入鄰近信道中的功率顯著增加。
圖4顯示了頻譜散射問題。綠線代表ADF7020發(fā)射機的PA每隔100ms開啟、關(guān)斷一次時的PA輸出頻譜，很顯然有較大的功率落入了載波兩側(cè)的信道中，測試時頻譜分析儀維持在最大保持狀態(tài)。紅線代表PA輸出在每個100ms以63步進逐步上升和下降時的輸出，由此可見落入鄰近信道的功率顯著下降。EN 300 220規(guī)范中的Specification 8.5對落入這些鄰近信道的功率進行了限制。

圖4：ADF7020輸出頻譜的測試曲線

測試流程要求發(fā)射機在最大輸出功率條件下開啟和關(guān)斷5次，并測量落入載波任意一側(cè)的第二、第四和第十信道的功率。
為確保滿足這個規(guī)范，最簡單的方法是讓PA從關(guān)斷狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換到開啟狀態(tài)，或從開啟狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)換到關(guān)斷狀態(tài)，這通常可以利用微控制器分階段地開/關(guān)PA來實現(xiàn)。通過采用ADF7020收發(fā)器，可以讓PA以最多63步階從關(guān)斷調(diào)節(jié)到輸出＋14dBm。一個更快和更簡單的方法是使用具有自動PA功率斜坡控制的收發(fā)器，比如ADF7021具有可編程功率斜坡控制功能，用戶可以設(shè)置步進數(shù)量和每次步進的持續(xù)時間。

圖5：星形網(wǎng)絡(luò)拓撲

通信協(xié)議考慮
ADI公司的ADIsimLINK協(xié)議軟件可用于任意的ADF702x收發(fā)器。這個計劃用于全球1GHz以下頻段的協(xié)議融入了新的歐洲規(guī)范，基于如圖5所示的星形網(wǎng)絡(luò)(多達255個端點)。
該協(xié)議的核心是一個無間隙(nonslotted)、非持續(xù)、防碰撞的載波偵聽多路訪問/沖突避免(CSMA/CA)方案，其端點(EP)可在發(fā)射前對信道進行監(jiān)聽(LBT)，以避免碰撞。
協(xié)議中的無間隙特性意味著端點可以在擁有數(shù)據(jù)后立即發(fā)送，因此要先執(zhí)行“先聽后說”的操作。這一方法也可以確保無需同步。如果端點檢測到信道正處于忙碌狀態(tài)，它就會在執(zhí)行下一次LBT之前等待一段長度隨機的時間。等待的次數(shù)是有限的，因此協(xié)議還具有非持續(xù)特性。在FHSS模式下，協(xié)議在每個跳頻信道上都使用了這種CSMA/CA系統(tǒng)，因此能滿足新歐洲規(guī)范的LBT需求。
ADIismLINK協(xié)議的物理層(PHY)和媒體訪問層(MAC)參數(shù)具有很高的可配置性，這允許對器件和系統(tǒng)進行充分的評估。ADI同時還提供源代碼以簡化系統(tǒng)開發(fā)流程。該協(xié)議作為ADF702x開發(fā)套件(ADF70xxMB2)的一部分進行提供，圖6是ADIismLINK的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。

圖6：ADIismLINK系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

本文小結(jié)
新的歐洲規(guī)范對863~870MHz頻段的無線傳輸協(xié)議提出了非常具體的要求。無論系統(tǒng)是使用單信道協(xié)議，還是使用FHSS或者DSSS，都必須遵守特定規(guī)則，這使得協(xié)議設(shè)計變得更復(fù)雜。但是，這些新規(guī)范的優(yōu)點在于它們在很多方面類似FCC Part 15 247規(guī)范，能簡化針對多地區(qū)應(yīng)用的協(xié)議設(shè)計。ADI公司的開發(fā)套件包括了各種協(xié)議范例，能夠緩解短距離無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計挑戰(zhàn)。